P92钢中Laves析出相演化规律研究

2021-01-20王志成叶有俊王一宁张鹏鹏巩建鸣

石油化工设备 2021年1期

王志成，叶有俊，王一宁，姜勇，张鹏鹏，巩建鸣

（1.江苏省特种设备安全监督检验研究院，江苏南京 210036；2.南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京 211816）

近年来国内外大力推进节能减排，促进了超超临界发电技术的开发及其应用研究［1］。新材料P92钢（9Cr-0.5Mo-1.8W-V-Nb）是超超临界发电机组厚壁部件首选用钢之一，其类型为马氏体耐热钢，性能方面的特点是蠕变强度高、抗氧化性能优、导热系数高、热膨胀系数低而且可抗应力腐蚀开裂［2-4］。

P92钢的性能会随着服役时间的增加逐渐劣化，同时P92钢在服役过程中会析出M23C6相、MX相、Laves相以及Z相等第二相。有研究表明，第二相的析出是影响材料析出强化的重要因素，其中Laves相的析出主要在原奥氏体晶界以及亚晶界处。Laves相形成初期的尺寸较小，能够在晶界处形成钉扎作用，这种作用有提高材料蠕变强度的效果。但Laves相也会消耗材料基体中的W元素和Mo元素而变得粗大，随着P92钢服役时间的延长，Laves相将造成固溶强化的下降，使材料的蠕变强度下降。Jae Seung Lee等［5］通过蠕变试验研究发现，应力能够增强原子的扩散，加速Laves相形核，因而对于Laves相的形成具有促进作用。此外，Laves相颗粒经过聚集和粗化后，当尺寸增加到一定程度时会诱发蠕变孔洞的形核。文中进行了P92钢的等温时效试验和恒载荷蠕变间断试验，从数量、尺寸等方面研究服役时间对Laves相析出的影响。

1 试验材料和方法

试验用P92钢管为Ø390 mm×70 mm的主蒸汽管新材料。主蒸汽管实际操作压力为26 MPa，操作温度为600℃。P92钢管元素组成见表1。

表1 P92钢管元素组成 %

2 P92钢等温时效计算

材料劣化需要经历一个漫长的服役过程，按照实际工况获取用于研究的劣化材料非常费时。为了加快研究进程，采用等温时效试验和蠕变加速试验获得所需要的研究材料。

2.1 计算原理

2.1.1 回火参数

在上世纪 50 年代，Holloman 和 Jaffe［6］等研究了回火温度和时间对于碳钢回火硬度的影响，提出了以下的回火参数经验计算公式。

式中，HT为回火后的硬度；PT为回火参数；T为回火温度，K；C为与材料成分有关的参数，对于P92钢，C 取 20［7］； tT为回火时间，h。

2.1.2 热强参数

Larson-Miller［8］研究了金属材料在高温、高压环境中长期服役受到的温度与时间的综合影响，在回火硬度经验计算式的基础上提出了热强参数及其经验计算公式。

式中，Pσ为Larson-Miller参数；T＇为蠕变试验温度，K； t为蠕变试验时间，h。

2.1.3 时效公式

式（2）与式（3）在使用上有区别，PT仅用于钢的回火计算，而Pσ则用于钢在高温条件下的蠕变计算等。研究表明［9-16］，不同温度和时间下的时效及蠕变试验可以通过式（4）进行统一。

式中，T1为材料的试验温度，T2为材料的服役温度，K。t1为材料的试验时间，t2为材料的服役时间，h。

2.2 计算结果

P92钢劣化试验采用650℃等温时效处理模拟600℃的实际服役工况，使用式（4）计算实际服役时间对应的加速试验时效时间，结果见表2。

表2 P92钢650℃等温时效对应的600℃实际工况服役时间 h

3 P92钢恒载荷蠕变试验

在650℃条件下进行P92钢试样的90 MPa恒载荷蠕变试验，得到了试验条件下P92钢的蠕变曲线（图 1）和蠕变试验时间分别为 200、500、1 000、2 000、3 000以及 5 000 h的服役后样品。由图1可知，P92钢的断裂时间约为6 000 h，该条件下蠕变可以分为3个阶段，第一阶段持续时间非常短，第二阶段蠕变速率较为稳定，第三阶段蠕变速率不断增加。

图1 650℃及90 MPa下P92钢试验蠕变曲线

4 蠕变试验后P92钢扫描电镜分析

对650℃、90 MPa条件下恒载荷蠕变试验得到的P92钢试样进行扫描电镜背散射电子像观察，得到的微观组织形貌结果见图2。图2中可观察到呈明亮和灰色分布的2种类型的析出物，在图上各选一个代表分别标记为A析出物和B析出物。

图2 蠕变试验后P92钢试样电镜扫描电子图像（1 000×）

对A析出物和B析出物分别进行EDS能谱分析，得到的能谱分析图见图3和图4。

图3 蠕变试验后P92钢试样中A析出物EDS能谱图

图4 蠕变试验后P92钢试样中B析出物EDS能谱图

图3显示，A析出相富含W和Mo元素；图4显示，B析出相富含Cr元素。有研究表明［17-18］，P92钢中这种出现在材料中的相对明亮的析出相为Laves相，相对较暗的颗粒物对应的析出相为MX相和M23C6相。采用SEM面扫技术对650℃、90 MPa条件下恒载荷蠕变试验得到的P92钢试样中的A析出物进行检测，进一步验证了明亮析出相中富含W以及Mo元素，即为Laves相。

5 不同试验条件下P92钢Laves析出相演化规律

5.1 等温时效试验条件下

进行650℃等温条件下，时效时间为500、1 000、2 000、5 000、8 000、11 000 h 的 P92 钢试样等温时效试验，对得到的P92钢试样背散射扫描电镜图像进行二值化处理，结果见图5～图10。

图5 650℃时效500 h后P92钢试样Laves相二值化处理图

图6 650℃时效1 000 h后P92钢试样Laves相二值化处理图

图7 650℃时效2 000 h后P92钢试样Laves相二值化处理图

图8 650℃时效5 000 h后P92钢试样Laves相二值化处理图

图9 650℃时效8 000 h后P92钢试样Laves相二值化处理图

图10 650℃时效11 000 h后P92钢试样Laves相二值化处理图

为保证测量值的准确度，在每个P92钢试样的Laves相二值化处理图上选取15个区域，利用Image J软件对选取区域中Laves相颗粒的数量、平均尺寸以及面积占比进行统计并取平均值，绘制成等温时效条件下的Laves相演变规律曲线，见图11～图13。

图11 等温时效试验P92钢Laves相颗粒平均数量与时效时间关系

图12 等温时效试验P92钢Laves相颗粒平均尺寸与时效时间关系

图13 等温时效试验P92钢Laves相颗粒平均面积占比与时效时间关系

图11和图12显示，时效时间3 000 h前，Laves相颗粒平均数量和平均尺寸均呈快速增加趋势；时效时间达到3 000 h后，Laves相颗粒数量开始呈现下降趋势，但相颗粒平均尺寸依然在不断增加，最终在时效时间达到8 000 h以后基本稳定。

图13显示，面积占比在时效时间2 000 h以内同样呈现快速增加的趋势，但当时效时间达到3 000 h以后，其变化量较小。

分析图11～图13显示的量化趋势，得到的P92钢Laves析出相演化规律为，P92钢在时效试验初期，Laves相从基体中快速析出，其颗粒数量、平均尺寸以及总面积占比快速增大；随着时效时间的不断增加，Laves相趋于饱和，开始不断地聚集和粗化，其数量开始减少而尺寸依然不断增大；当时效时间达到8 000 h以后，Laves相已经发生严重粗化。